（机械工程专业论文）喷射式换热器的设计与研究.pdf

摘要 氧化铝生产流程中大型热设备较多 其产生的工业废气中热能和有用 物质较多 含热能和有用物质的烟气直接排入到大气中 造成能源和产品 的浪费 而且也对大气造成了很大的污染 本文通过对氧化铝生产用焙烧 炉工业废气成分以及可利用价值的分析 提出了利用蒸汽喷射器将焙烧炉 废气抽出加热水而用于平盘过滤洗涤系统的方案 具体的研究内容有 1 对焙烧炉废气余热利用进行了可行性分析 提出了对焙烧炉废气余热进 行再利用 用于加热平盘过滤系统洗涤用水 2 根据现场情况 提出了喷射器的设计原则和设计方案 采用多级喷射器 的方案具有较高的节能效果 3 针对多级喷射器的设计 研究了多级喷射器压缩比与喷射系数之间的对 应关系 串联级数的确定 通过理论计算确定了多级喷射器压缩比的分配 及串联级数 4 设计了一种多级喷射器 进行了全压缩比和级间匹配实验 现场使用效 果表明 所设计的多级喷射器能有效地利用焙烧炉废气加热平盘过滤系统 具有较好的节能效果 本论文的研究工作 可以为多级喷射器的设计和开发提供理论计算依 据 其产品可在氧化铝生产企业进行推广使用 使整个行业的节能降耗水 平达到一个新的水平 关键词 焙烧炉 废气 过滤 喷射器 压缩比 喷射系数 a b a s t r a c t t h e r ea r em a n yt h e r m a le q u i p m e n ta r eu s ei nt h ea l u m i n ap r o d u c t i o n p r o c e s s t h ee q u i p m e n t sc a l lc r e a t eal a r g e s c a l ei n d u s t r i a le x h a u s tf u m ew h i c h i n c l u d eh e a t e n e r g y a n du s e f u l m a t e r i a l t h e y a r ed i r e c t l ye m i t t e di n t o a t m o s p h e r e r e s u l t i n gi na w a s t eo fe n e r g ya n dr e s o u r c e s a n da l s oag r e a td e a lo f a t m o s p h e r ep o l l u t i o n b a s e do nt h ea n a l y z i n gt h ec o m p o n e n t sa n dt h ea v a i l a b l e v a l u eo fe x h a u s tc r e a t e db yg a ss u s p e n s i o nc a l c i n e r t h ep a p e rp u tf o r w a r da p r o j e c tt h a td r a w i n go u tg s c e x h a u s tf r o mt h ef u m ew i t has t e a me j e c t o rt oh e a t w a t e rw h i c hf o rt h ef i l t r a t i o nw a s h i n gs y s t e m s p e c i f i cr e s e a r c h e ra r ea s f o l l o w e r s l af e a s i b i l i t ya n a l y s i sa b o u tt h ee x h a u s tg f i sr e m n a n t sh e a tr e c y c l ei s r e s e a r c h e d ap r o j e c tw h i c hr e c y c l et h ee x h a u s tg a sr e m n a n t sh e a tc r e a t eb yg s c t oh e a tt h ew a t e rf o r t h ef i l t r a t i o nw a s h i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d 2 a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no nt h es p o t t h ee j e c t o rd e s i g np r i n c i p l ea n dd e s i g n p r o j e c ta r ep u tf o r w a r d t h em u l t i l e v e le j e c t o rp r o j e c ti sp r o v e dt ob eg o o da t s a v i n ge n e r g y 3 a i m e da tm u l t i l e v e le j e e t o rd e s i g n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p r e s s i o n r a t i oa n de j e c t i n gm o d u l u sa n dt h en u m b e r si nt h es e r i e so fe j e c t o r s d e t e r m i n a t i o na r ea n a l y s e d i nt h ep a p e r d i s t r i b u t i o no ft h ec o m p r e s s i o nr a t i o a n dn u m b e r so fm u l t i l e v e le j e c t o ra r ed e t e r m i n e db a s e do nt h ea c a d e m i c a n a l y s i s 4 t h em u l t i l e v e le j e c t o ri sd e s i g n e d a tt h es a m et i m et h et o t a lc o m p r e s s i o nr a t i o a n dc l a s s m a t c h i n ge x p e r i m e n t sh a v ed o n e a c t u a la p p l i c a t i o nr e s u l tp r o v e dt h a t t h en e w d e s i g n e dm u l t i l e v e le j e c t o rs u c c e s s f u l l yu t i l i z et h ee x h a u s tg a st oh e a t w a t e rf o r t h ef i l t r a t i o nw a s h i n g s y s t e ma n de n h a n c et h ee n e r g yu t i l i z a t i o nr a t e t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rg i v e sat h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o np r i n c i p l ef o rt h e m u l t i l e v e le j e c t o rd e s i g na n dd e v e l o p m e n t t h ep r o d u c t i o nc a nb ea p p l i e dt h e c o r p o r a t i o n sw h i c hp r o d u c ea l u m i n a a l s oe n h a n c et h ee n e r g yu t i l i z a t i o nr a t ei n a l u m i n ai n d u s t r y k e y w o r d sa hf l t e r i n ga n dw a s h i n g l a v a ln o z z l e s e j e c t o r s t o t a lc o m p r e s s i o n r a t i o e j e c t i n gm o d u l u s 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着我国经济迅速发展 能源供给与需求的矛盾日益突出 能源危机逐渐显 现 能源新技术开发和利用 技术创新 建立节约型社会是我国可持续发展的必 然选择1 1 埘 中国铝业中州分公司做为一个资源型企业 在资源愈来愈匮乏的环 境下 如何有效地利用现有资源 节约能源 保护环境 保持生态平衡 实现可 持续发展是企业寻求的长期发展之路 气体悬浮焙烧炉是在焙烧窑的基础上发展起来的高效节能氧化铝焙烧设 备 中州分公司的焙烧燃料为发生炉煤气 在焙烧过程中 煤气燃烧释放的能量 大部分用于氢氧化铝焙烧 其它通过设备表面散热 物料携热和废气带热而消耗 捧 在无功消耗的这部分热量中 随废气排到大气中的热量占较大比例 在氢氧化铝料浆平盘过滤洗涤过程中 热水洗涤与蒸汽烘干需要消耗大量蒸 汽 通过有效手段将焙烧炉捧放废气中所含热量用于氢氧化铝平盘过滤中洗涤与 烘干 不仅可以节能降耗 而且还能回收大量外排的氧化铝 因此 开展焙烧炉 废气利用的研究对企业长远发展有着重大的意义 1 2 高温烟气余热利用技术和方法概述 有色冶金工业中高温烟气余热约占总余热量的4 0 5 0 冶金炉 窑 高温烟 气带走的热量视其温度不同 一般可达总供热量的2 0 6 0 i i 1 2 1 烟气余热回收方法 l 热能利用 即把烟气余热作为热源来利用 分为直接利用与间接利用两种 直接利用是 利用烟气热量来直接加热低温物体 例如预热燃料 预热助烯空气 预热物料 干燥 间接利用是用高温烟气余热先去加热其他介质 如水 空气等 然后将 已加热介质用于各种用途 如产生热水 产生蒸汽 产生热空气等 2 动力利用 利用回收余热产生的高压蒸汽 或直接用高压烯气作为动力源 带动发电机 转换为电能 或驱动工业汽轮机 鼓风机 空气压缩机 制氧机 水泵等直接对 外作功 由于动力利用可获得机械能和电能等高品位能量 所以受到越来越多的注 意 有的国家对于4 0 0 0 c 以上的烟气 总是力图通过汽轮机发电来回收余热并且 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 对于2 0 0 3 0 0 0 c 的低温烟气 目前也在开发采用氟利昂等低沸点介质的发电技 术 1 2 2 烟气余热瓷源合理应用评价标准 1 高温烟气的能级 热能不仅有数量的差别 而且还有品位 品质 高低之分 用焓表征热量的 多少 而用碉 即可用能 表征热质的高低 高温烟气含能的品位用能级 能质 来表示 它是单位体积 或质量 烟气中的硼值与其焓值之比 即 烟气能级 罢或q 告 1 1 式 1 1 中碉的定义是 一含能体系或工质与环境达到平衡时所具有的最 大作功能力 也可理解为能量中可以转化为功的能量份额 对于烟气的碉实际上 包含温度硼与压力硼两部分 由于一般冶金炉 窑 烟气的压力不大 可作为与 大气压力相同 而忽略其压力硼 对于高压烟气则不应忽略 式 1 1 中e l 表示烟气的温度硼 能量级q 可用下式计算 q 二墨n 一土l i l 马 1 2 t 2 7 3 1 5 t r or o 7 式中n 而 烟气温度及环境温度 k 根据式 1 2 当t o 2 9 8 1 5 k 时 不同温度烟气的能级q 如表1 1 表1 1 不同温度下烟气能级 t 2 9 8 1 5 温度 3 0 04 0 05 0 06 7 0 08 0 09 0 0 no 2 6 7 1o 3 3 0 5o 3 8 1 8o 4 2 o 4 6 0 4o 4 9 1 4o 5 1 8 4 温度 1 0 0 0l l 1 2 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 0 n o 5 2 o 5 6 3 3 o 5 8 2 2 o 5 9 9 3o 6 1 4 80 6 2 8 9 由表1 1 可见烟气余热属于中等品位的二次能源 其利用价值较高 2 合理利用的评价标准 烟气温度高 则能级也高 利用潜力也大 可是 只根据能级大小还不能评 断其合理利用程度 还应根据各种余热利用方案中供入设备能量的能级与用户需 要的能级之差来判断 如能级差别大 反映供 需能级不匹配 大材小用 用能 不合理 反之 能级差小 表示供 需能级比较匹配 用能也比较合理 因此 根据供 需能级差的大小 即可分析余热利用方案的优劣和评断其合理程度 能级差用下式表示 l 剑 j q l 一q 2 i 1 3 2 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 式中 l 剑 能级差 绝对值 q l 供入设备的能级 用户或需方使用能量的能级 1 3 国内外余热利用情况 国内外冶金企业根据自身余热资源情况 有的采用动力方案 有的采用热能 自用方案 有的采用综合利用方案 且前 余热锅炉在我国冶金企业中已逐渐成为利用烟气余热的主要设备 例 如 铜精炼反射炉 铜熔炼反射炉 铜保温炉 锌渣挥发窑 锌精矿沸腾焙烧炉 焦结炉蒸馏炉系统 炼锡反应炉 熔池式炼铜炉 又称白银炼铜炉 闪速炉等均 安装了余热锅炉 部分蒸汽用来发电 部分蒸汽用于生产 节约了燃料 预热助燃空气 可以大大改善冶金炉 窑 的热工指标 在我国有色冶金 企业中已受到高度重视 例如 在铜保温炉 铜精炼炉 铅电解脱铜炉 杂铜鼓 风炉以及白银法炼铜炉上均采用温度达2 5 0 3 5 0 0 c 的热风 可节油l o 2 0 对于高温烟气余热的综合利用也受到了重视 例如 闪速炉和转炉的烟气 通过各自的余热锅炉产生饱和蒸汽 部分蒸汽经过热后 用来预热反应塔的空气 部分蒸汽过热后送透平发电机组发电 从蒸汽过热器和蒸汽再热器排出的烟气与 精炼炉的高温烟气汇合后 引入热风炉作为干燥精矿的热源 由于充分综合利用 了余热 故能耗大大降低 1 4 主要的热交换设备 在工业生产中 根据操作条件 相互作用料流的温度和压力 温度差等 采用了 各种表面热换器和混合热交换器 生产中常用的热交换器有三种类型 间壁式j 混合式和蓄热式 其中间壁式热交换器应用最为广泛 且类型也是多种多样 如 果以传热面的结构来分 可分为管式和板式两大类 1 管式热交换器 管套管 型套管热交换器是结构最简单的 图1 1 这种热交换器由许多单 元组成 相互间用接头弯管串连起来成 u 型 这种类型号的热交换器用于压煮 溶出铝土矿的溶液出料浆热回收流程 还用于某些熟料溶出流程中高硅铝酸盐溶 液的加热系统等 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 y f 占砷x 一 j i 丑 i e 耳e可e i 己三 一 y 图1 1 单一套管热交换器 管固定形式 也可以是脱开的形式 可选择外管和内客的直径 以使介质在管内 和管间空间内流速接近 同时 在这种热交换器中的严格的向流流动 使得热过 程度具有高效率 u 形管式热交换器 由于传热管本身是u 形管 而u 形管的 作用与补偿圈类似 因而能有效地消除热应力 走管程的流体从设备的一端进入 折回后又从同一端出来 这是与前述列管式热交换器的不同之处 另一种是具有补偿圈的列管式热交换器 设置补偿圈的目的是消除生产时的 热应力 受热时补偿圈被拉长 温度降低时则缩短 以保护设备不被热应力所损 坏 此类型热交换器的优点是适用于高压下加热或冷却热交换介质 容易制造和 安装 这种同轴热交换器的缺点是由于外管消耗金属量大 使投资大 而外管并 不起热交换作用 由于与周围介质接触表面大 通过设备表面会大量散失热量 环形空间清洗困难 如果热交换器是脱歼的 则这种设备的拆卸和组装要费时间 因此 在文献 2 6 中推荐热交换面积在2 0 m 2 以下者使用套管热交换器 2 多单元 组合 套管热交换器 多单元 组合 套管热交换器 图1 2 可以避免结构笨重 这种装置的内壳 不联死 联接的一种方式如断面a t l 2 1 热交换器的外壳主要用作保温装置 这种 结构比单一套管热交换器更紧凑 热交换过程得到强化 分析直径对传热系数的 影响时 就可以得出此结果 对悬浮液的传热系数i 可用下式表示 d o 儆 萨a l 竺 a d 3 8 1 4 d 式中 a a 分别为决定于热物理常数的系数 r e 一雷诺数 九一 悬浮液的导热系数 d 管径 4 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 图i 2 多单元套管热交换器 l 一原矿浆室 2 溶出料浆室 步 管 4 一内管l5 一管板 由此得出 采用小直径管 传热系数比单一套管热交换器所能达到的要大一 倍 在相互作用的物料流大时 这种效果表现尤为突出 在设计选型中 大量推 广的是带浮头的热交换器 图1 3 由于采用了浮头 设备费用的增加被使用可 靠 装卸简易 可以在高温差和高压差下操作所抵消 凝结隶 枷热舟 图1 3 浮头式气液交换器 这种型号的设备用于高温高压条件下的料浆 料浆颇具前途 它与通常采用 的结构的主要区别在于 加热管之间的空间安设有附加的边板和挡板 以增加料 浆的流速 同时保证管内和管际空间的热交换能达到平衡 流速低会使介质流速 低的一侧热交换程度降低 从而影响整个过程的传热 浮头式热换器另一特点是 设备的使用可靠性高 3 板式热交换器 板式热交换器 图l 4 的传热面由许多平行板组成 形成两个流道系统 在 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 一个系统内流过被加热液体 另一个系统内为加热液体 板间固定有橡皮垫作为 结构的密封 板由厚度0 7 m m 的薄钢板锻压而成 板式热交换器的结构非常紧 凑 在生产场地容易安装 这种热交换器可以完全卸开 所有的加热面都有机械 清理通道和检查通道 图1 4 板式热交换器 载热体的流动可以并流 向流或混流 板式热交换器的缺点是由于橡皮衬垫 的使用条件受限制 1 5 0 0 c 及1 0 大气压下 前苏联列定格勒纸浆和造纸工业 研究院 j i t h s h 涅夫斯基机器制造厂共同研制了高效板式热交换器 1 4 并对 其换热效率进行了深入研究 4 螺旋热交换器 螺旋热交换器 图1 5 结构紧凑 其热交换表面由两层螺旋形的金属板组成 金属板焊在分隔板上 螺旋板的边缘和端面的平扳之间密封 制作工艺复杂 在 氧化铝生产中 螺旋热交换器用于加热矿石溶出前的原矿浆 它用于脱硅流程 可以将溶液预热到1 0 0 0 c 以上 这种热交换器水平安装 以避免泥渣沉积 螺旋 热交换器内的流体流向可以是向流 两种液体或料浆问热交换 错流 用蒸汽 加热液体 和混流 在旋热交换器中 磨蚀性物料在长流道内的高速流动而使其具有自洁功能 能长时间运行而无需清理 介质只沿一个流道流动 便于化学清洗 设备的主要 优点是结构紧凑 例如 热交换面积为8 0 l n 2 的设备长1 0 0 0 r a m 宽1 0 6 0 m m 螺旋热交换器的流体阻力小 传热系数高 螺旋热交换器的缺点是制造和检修复 杂 并且只能用于工作压力在1 0 l s k g c m 2 以下的场合 6 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 图1 5 螺旋热交换器图1 6 喷射式预热器 5 喷射式预热器 在一些氧化铝厂中 使用喷射式和格板式预加热器加热水或溶液 在很容 易结垢的介质热交换条件下 如果对工艺过程没有太大的影响 那么采用喷射 式较为适宜 在氧化铝生产中 喷射式混合加热器 图1 6 通常用来加热洗涤赤 泥的水 也用来预热蒸发器中的溶液 液体的加热用喷射的水蒸汽进行 设备 中饱和喷射蒸汽温度和喷射水温度之差 通常为1 5 一2 0 0 c 中间锥体装置可防 止溶液加热不足 改变喷嘴和锥体之间的缝隙 可使设备达到最佳工作条件 溶液以高速通过喷嘴l 进入接受室2 喷射的溶液将蒸汽吸入混合室3 蒸汽在此冷凝 溶液由混合室 进入扩散器4 然后从设备排出 为了使溶液和蒸汽很好接触 并使溶液充分加 热 在喷嘴和混合室之问装置中间锥体5 这种设备的缺点是结垢太快 6 格板式预热器 在氧化铝生产中 格板式预热器广泛用于预热水和溶液 还用于气压冷凝器 以冷凝真空蒸发器出来的蒸汽 图1 7 需加热的液体 通过位于设备上部的迸 液管3 进入设备 穿过高起的边缘 即分配机构 5 溢出的液体 流经多孔薄板 系统形成许多小流束 水蒸气被冷凝 液体被加热 热的液体通过设备的下部排出 管4 连接设备和水封 通过观察镜2 可以观 察过程 由于液体分散成许多小流束 形成展开的表面与上升蒸汽接触 这种设 备独有的特点是热端温差较小 约5 叼 这种预热器的缺点是预热器的格板孔 易被堵塞 7 辙 瀚l 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 图1 7 格板预热器 l 图1 8 液膜预热器 矿浆矿浆 l 加热嘉饩 图i 9 鼓泡葫热器 图1 7 中 1 壳体 2 观察镜 3 进液管 4 水封连接管 5 分液装置 6 格板系统 7 供气管 8 热液体排出管 圈i 8 中 1 进液喷管 2 进气管 3 分液装置 4 同轴圆筒 5 蒸汽进管 6 热液体进出管 7 液膜预热器 液膜预热器是由许多同轴配置的圆筒组成 图1 8 液体 水或溶液 经喷 嘴l 流到设备的上部 靠分散机构3 沿圆筒4 的壁成膜状下流 下流的液膜与上 升蒸汽相遇 蒸汽通过管5 进入设备的下部 在蒸汽冷凝的同时加热了液体 液 体通过接管6 由设备排出 这种设备的特点是液体能得到充分加热 液体可以加 热到蒸汽的饱和温度 8 鼓泡预热器 鼓泡预热器是一个圆筒形容器 图1 9 高l o r e 或更高 下部安有喇叭 口管 喇叭管顶端面盖有多孔薄板 蒸汽通过此管进入 被多孔板分散成许多细 流 以增大被加热液体和蒸汽的接触面积 蒸汽冷凝 加热进入设备上部的液体 液体再通过卸料管由设备上排出 1 5 课题来源 中铝股份中州分公司是1 9 8 8 年开工建设的铝工业企业 经过多年的发展以 及技术和管理的创新 产量由最初的十几万吨发展到了目前的一百多万吨 现已 建成日产1 3 5 0 吨氧化铝焙烧炉3 台 日产8 5 0 吨氧化铝焙烧炉1 台 氢氧化铝 平盘过滤机5 0 m 2 2 台 6 1 m 2 2 台 氧化铝焙烧煤气耗量达9 0 0 0 0 m 3 焙烧用氢氧化铝来自于氢氧化铝平盘过滤机 其工作过程为 来自上道工序 8 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 的氢氧化铝料浆送入平盘 先经液固分离后由8 0 8 5 0 c 热水两次洗涤 再进行焙 干 产出含附着水约为1 0 左右的氢氧化铝滤饼 送至焙烧炉进行焙烧 洗涤用 水现为蒸汽直接在热水槽中对水进行加热 通过热水泵送至平盘对滤饼洗涤 现 蒸汽加热方式蒸汽耗量大 能耗高 为达到生产指标值 平盘过滤机的干燥与洗涤需要消耗大量蒸汽 而焙烧炉 在运行中所排放到大气的热量造成很大的能量浪费 在流程设计上 平盘过滤机 与焙烧炉的距离较近 如果采用一种方式利用焙烧炉产生的高温烟气对水加热 不仅可以节省大量蒸汽 同时也减少外排氧化铝量 充分利用焙烧炉所排废气中 热量在平盘过滤机生产中是降低大气污染 降低氧化铝生产成本 降低能耗 节 约资源的一种有效途径 针对焙烧炉尾气 目前国内都是经过电收尘捕集粉尘后 直接排空 对焙烧炉尾气的余热利用处于空白阶段 焙烧炉废气在平盘过滤机生 产过程中的应用被我公司列为2 0 0 6 年攻关计划 1 6 研究的目的 意义和内容 传统的焙烧工艺 2 是将焙烧炉出来的高温烟气预热进入焙烧系统的氢氧化 铝 脱除氢氧化铝的附着水和部分结晶水 由于和入炉氢氧化铝进行充分热交换 后的气体中含有大量细小的氧化铝颗粒 从预热系统出来的气体被送入电收尘内 部进行捕集 降低外排烟气中氧化铝的含量 焙烧炉废气得温度较高 大都在 1 4 0 2 左右 不加以利用是一种资源的极大浪费 因此 合理利用焙烧炉尾气的 能量是降低焙烧炉能耗 节约能源的有效途径 本课题的目的是将现有尾气引出和水进行能量交换 加热后的热水用于氢氧 化铝洗涤用水 洗除氢氧化铝表面所附带的n a 2 0 气体被冷却后排入大气 在 能量交换的过程中 气体中的氧化铝颗粒被重新回收进入流程 进一步净化了排 入大气中的烟气 气体与水热交换的过程中 烟气中的s 0 2 与水反应 被进一步 的脱除 削减了本地区s 0 2 的总量排出 改善了环境 具有重要的工程应用价值 在对国内外焙烧炉尾气利用技术的发展现状作充分调研的基础上 在导师的 指导下确定了本论文的研究方向和主要研究内容 l 对焙烧炉尾气利用进行热力学分析和经济性分析 以论证项目的可行性 2 提出焙烧炉尾气利用设备的总体设计方案 并对各主要组成部件进行设 计 2 研究水射泵的配置方式 水气混合物的分离方式 减少气体分离带走的 水分 即工业流程走向 3 研究利用烟气加热热水后焙烧过滤机和平盘过滤机的各种工艺参数的 变化以及对产品的影响程度 9 中南大学工程硕士学位论文第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 在氢氧化铝焙烧工艺过程中 从料浆分离出的氢氧化铝颗粒要经过高温水洗 涤 过滤及焙烧炉的焙烧最后得到氧化铝 在焙烧炉中要产生大量的烟气 这些 烟气一般直接被排放到大气中 不但造成能源上的损失 而且对大气造成污染 本章从烟气能量的回收利用经济性来论证焙烧炉烟气利用的可行性 2 1氢氧化铝过滤工艺流程及设备 在中州分公司的流程设计中 煅烧炉用氢氧化铝来料有两种途径 由分解 车间转鼓过滤机过滤的合格滤饼由输送机送至焙烧炉 山焙烧车间平盘过滤机 过滤的合格滤饼送至焙烧炉 氢氧化铝滤饼中的附碱和水份对焙烧炉的产品质量和产量影响较大 通过转 鼓式过滤机和平盘式过滤机两种过滤设备对比 在氢氧化铝过滤方面 平盘过滤 机因其良好的固液分离 洗涤 脱水干燥特性在氢氧化铝过滤中得到广泛推广 平盘过滤机工艺流程 1 可分为四个部分 氢氧化铝的储存和泵出 氢氧化铝 的分离 洗涤 干燥和卸出 真空系统 滤液系统 见图2 1 图2 1 平盘过滤流程图 1 平盘过滤机2 错气盘3 分配盘4 卸料螺旋5 蒸气罩6 汽水分离器7 弱滤液接受槽8 强 滤液接受槽9 母液接受槽l o 弱液槽11 腽滤液槽1 2 母液槽1 3 弱滤液泵1 4 强滤液泵 1 5 母液泵1 6 真空泵 1 0 中南大学工程硕士学位论文第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 中州分公司现有从法国道尔公司引进的4 台平盘过滤机 其主要技术参数和 控制指标为 l 设计产能 9 0 t a h h 2 过滤面积 5 1 m 2 3 平盘转速0 4 2 r p m 4 滤饼含水率 l o 5 料浆固含 5 0 0 9 0 0 9 1 6 料浆流量 1 2 4 1 3 5 m 3 1 1 7 料浆密度 1 4 4 0 1 4 8 0 k g m 3 8 洗水量 2 1 6 5 i n 3 9 洗水温度 9 0 9 5 0 c l o 弱滤液流量 2 5 6 3 2 5 m 3 l l 11 弱滤液碱量 7 3 5 7 7 5 胡 1 2 母液流量 9 2 1 缸1 1 5 一 l l 1 3 母液含碱量 1 3 4 9 1 1 4 强滤液流量 2 7 1 3 2 5 m 3 h 1 5 强滤液碱量 4 8 5 1 矿 1 6 滤饼附碱 o 1 2 1 7 滤饼厚度 6 0 7 0 m m 1 8 残余滤饼厚度 l o 1 3 m m 1 9 真空度 0 0 4 0 0 6 m p a 滤盘 滤盘由2 0 个扇形真空吸滤室组成 吸滤室上有多孔滤板 板上覆盖 有滤布 在滤布和滤板中间设有不锈钢金属滤网 保持滤布在受压力状态下的平 整 滤盘下部装有大直径耐磨向心推力轴承 支承滤盘并保持其在运转状态下的 平衡 滤盘底部为错气盘 错气盘上有2 0 个长方形孔与吸滤室相连 分配盘 分配盘与滤盘底部的错气盘相接触 将2 0 个吸滤室分隔成不同的 区域 依次为 反吹区 母液区 强滤液区 弱滤液 干燥区和卸料区 除反吹 区与压缩风相连外 其它每个区域的出口都与真空系统相连 平盘过滤机通过滤盘底部的错气盘与分配盘的相对转动 完成包含氢氧化铝 科浆分离 洗涤 脱水 干燥 卸料四个程序的一个过滤周期 平盘过滤机一 个工作周期共产出3 种不同含碱量的过滤溶液 母液 来自分离过程的过滤液 母液进入母液槽暂存后通过母液泵送至有关 工序 强滤液 来自一次洗涤过程的过滤液 由强液泵送至有关工序 中南大学工程硕士学位论文第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 弱滤液 来自二次洗涤过程的过滤液 弱滤液用于平盘过滤机的逆向一次洗 涤 给料装置 由料浆泵将合格料浆泵入布料箱 布料箱下设有带簸箕的布料管 将料浆均匀布在过滤机盘面上 在盘面上形成均匀的滤饼 洗涤装置 平盘过滤机在完成氢氧化铝料浆的分离程后 进入置换沈涤程序 平盘过滤机采用逆向洗涤方式 洗涤装置包括两段0 1 0 8 总沈涤管 沈涤管上配 有洗涤喷嘴 通过调整洗涤喷嘴来调节洗涤水量 烘干装嚣 氢氧化铝滤饼经两次沈涤后须降低滤饼水份 以减少氢氧化铝焙 烧所耗能量 平盘过滤机滤饼脱水采用气体置换和真空抽吸联合法 为降低滤饼 残余液的粘度和附着液的表面张力 对滤饼通入1 3 0 1 5 0 c 饱和蒸气 同时 滤 饼含有热能可以借助于蒸发作用进 步使滤饼中的水份排出 使滤饼水份控制在 1 0 以下 卸料装置 卸料装置为9 6 0 0 m m 的三叶片钢制螺旋 主叶片上装有副叶片 材质要求耐磨 卸料螺旋的转数设计为6 8 r p m 为防止过载 螺旋设有过载报警 装置 驱动装置 平盘过滤机的驱动装置有电机 减速机 立轴和开式齿轮组成 其中减速系统为齿轮和涡轮两级减速 平盘转数在0 4 2 r p m 之间可调 转数调节 通过变频实现 润滑装置 平盘过滤机的所有润滑点由中心润滑系统提供润滑 润滑油泵的 驱动和卸料螺旋的驱动相连 受计时器控制 计时器设置为平盘过滤机运行四个 小时 润滑油泵工作两分钟 润滑油量可通过调节阀进行无级调节 附属装置 平盘过滤机的附属装置包括集气罩 下料溜槽 2 1 1 滤饼过滤过程的过滤效率分析 滤饼过滤数学模型分析 滤饼过滤又称表面过滤 过滤时 先由滤布等的表面截留悬浮颗粒 而后由 逐渐增厚的滤饼继续截留颗粒 其操作目的主要是对悬浮液进行浓缩及固体回 收 图 2 2 为滤饼过滤方式示意图 滤饼 图2 2 滤饼过滤方式示意图 滤 舟质 中南大学工程硕士学位论文第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 滤饼由固体颗粒随机排列所组成 其间有大量空隙存在 且呈疏松状 固体 颗粒在水流作用下逐渐向过滤介质表面移动 颗粒主要受到重力 浮力 颗粒间 作用力 水流动及介质阻力的作用 由于颗粒呈悬浮状态 故过滤压差对单个粒 子的作用是通过水流动力体现的 在滤饼过滤过程中 滤液在过滤压差作 用下穿过滤饼和过滤介质 在滤饼空隙中对固体颗粒作绕流流动 图 2 3 是 不同物料条件下滤饼的电子扫描照片 由照片可见 不同物料滤饼中颗粒之间的 孔隙形状类似 粗粒物料细粒物料 图2 3 不同物料滤饼电子扫描照片 1 8 5 6 年达尔西根据流体在毛细管中流动的机理 首先用数学方法决定过滤 速度 提出过滤方程式 应用此式可以计算过滤以及洗涤的速度 嘲 矿 k e p 8 p g 2 1 式中 广过滤速度 m 3 m 2 s j 卜滤饼的渗透系数 m 一 s 一滤压力差 k g i n 2 争 滤饼层厚度 m 卢一滤液的粘度 k g s m 2 g 一重力加速度 卡曼 鲁思综合实验室过滤机操作结果将上式再加整理引出了过滤基本方程 式 矿 t o 2 2 p f 2 f o 2 2 p a p 式中 州滤时间t 内通过的滤液体积 m 3 玢 过滤系统在开始时的阻力 即 通过滤隔板的阻力 以形成相应的滤渣阻力所通过的滤液体积来表示 m 3 p 一过滤压力差 k g m 2 蹦滤面积 m 2 广过滤时间 s f 厂一与通过滤液v o 相应的时间 厂滤液的粘度 k g s m 2 口 单位体积滤液所含的干滤饼量 g m 3 p 一单位重量滤饼的平均过滤比阻 上式中 过滤开始的阻力为 圪 00 f 2 3 印 式中 p 厂一过滤隔板单位面积的比阻 可压缩的滤饼 比阻随着过滤压力的增加而增加 其关系用下式表示 中南大学工程硕士学位论文第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 p p pll 2 4 其中 p 表示当压力p i 时的滤饼比阻 指数 在此式中根据实验约为 0 1 4 4 滤饼过滤数学模型中比阻p 和p o 的确定 应用式 2 2 2 3 进行各种过滤计算时 式中滤饼比阻p 及过滤隔板比 阻p d 对过滤开始的阻力 有着直接的作用 因此必须先确定下来 2 0 2 利用确定的过滤机 它的过滤面积f 为己知 悬浮液中干滤饼的含量a 为已 知 保持一定的温度使其悬浮液的粘度不变 维持一定的压力差 在相当的过滤 时间f 内 测定通过滤饼层的滤液体积n 如此进行数次即可应用过滤基本方程 式来示滤饼和过滤隔板的比阻 彩 设在fl 时间内通过滤液的体积为巧 在吒时间内通过滤液体积为圪 根据 过滤基本方程式 2 2 可写成下y i 式 矿 2 丝 f o 2 5 g a p 2 三里 f 2 h 2 6 j u a p 当过滤开始时 v i v 2 f l 死均为0 则 吩等f o 2 7 将 2 7 式代入 2 5 2 6 二式 得 嵋2 2 r v o 丝 l 叩 吒2 2 v 2 v o 婴f 2 p u p 已知 p o f a p 代入式 2 8 2 9 可得到 a p e 2 2 1 z 吒f p o 2 胛2 l 印 2 2 u v a f p o 2 p f 2 f 2 解 2 1 1 2 1 2 二式可得p 和p 口值 2 8 2 9 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 1 2平盘过滤机过滤过程影响因素 平盘过滤机为滤饼过滤又称表面过滤 即液固混合的料浆靠重力或压差通 过多孔隔板和过滤介质 液体透过多孔隔板和过滤介质而固体颗粒则留在过滤介 质上面 达到液固分离的目的 从式2 1 可以看出 提高平盘过滤机的分离洗涤 效率因素有如下方面 1 4 中南大学工程硕士学位论文 第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 1 颗粒特性 在过滤技术中 固体颗粒的形状 尺寸及密度是体现颗粒特性的三个要素 决定着颗粒能否被过滤介质所截留 还决定着沉降速度及滤液的清洁度 滤浆中 的颗粒形状是不规则的 其尺寸用等价球的直径1 2 a 来表示 等价直径越大 滤液 的通透性就越强 过滤效果及过滤效率就越高 等价直径小的固体颗粒 在形成 滤饼的过程相互排列紧密 对滤液的阻力增大 滤液透过性差 压差要求要大 能量消耗就高 为确保氢氧化铝有较好的过滤特性 氢氧化铝粒度指标应保持在 4 5 m 1 0 左右 为此 在氢氧化铝分解工艺上我们采取了如下的方法 2 5 l 1 保证原始晶体粒子的形成 2 延缓反应速度以利于新生成晶粒在原始晶粒上的附着 3 保证一定的温度以利于细小a i o h 3 粒子附聚长大 4 尽可能避免a i 0 h 3 粒子的磨蚀 特别是在后期显得尤为关键 5 尽可能避免反应2 n a a i o h 4 c o z n a 2 c 0 3 2 舢 o h 3 的发生 因 为在分解后期的主要任务是产品的沉降分离过程 此过程不利于粒度进一步长 大 6 采用粒度分级技术 增加出料旋流器 2 液体的粘度 液体的粘度对固液分离过程影响很大 粘度大的液体由于液体分子间的引 力较大 在过滤过程中 需要较大和较长时间的外力影响来改变液固相问的变化 通过改变温度 可降低液体的粘度 从而提高过滤速度 降低滤饼中的含液量 为了促进氢氧化铝料浆的分离 缩短分离时间 通过提高料浆温度 降低或消除 水膜应力 提高氢氧化铝颗粒表面活性 平盘过滤机的洗涤水要求保持在9 0 2 3 滤饼特性 平盘过滤机过滤过程中 过滤操作常用于氢氧化铝的分离洗涤中 过滤开 始 通过过滤介质的滤液必须克服过滤介质对流动产生的阻力 当过滤介质表面 上形成氢氧化铝滤饼后 还必须克服氢氧化铝滤饼和过滤介质的联合阻力 过滤 介质和氢氧化铝滤饼的联合阻力要比单独的过滤介质 滤布 和滤饼阻力加起来 要大 因为有部分固体颗粒嵌入滤布孔隙之中 滤饼沉积到一定厚度后 滤饼阻 力起主导作用 这时 过滤介质阻力可略而不计 因此 氢氧化铝的颗粒特性对 滤饼的阻力形成有明显的影响 同时影响液固分离时间 4 过滤介质 过滤介质在使用中不仅要有良好的渗透性 而且具有截留颗粒的能力 对 1 5 中南大学工程硕士学位论文 第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 生产指标产生至关重要的影响 2 由2 7 1 过滤介质的渗透性可用下式表示 u b a p i t l 2 1 3 式中 一液体通过滤层的速度 m s 伊一过滤介质的渗透性 酊 4 p 一压 力差 p a 矿一液体粘度 p a s 卜过滤介质的库度或深度 m 过滤介质同时还应具备以下性能 2 8 1 如表2 i 表2 i 过滤介质具备的性能 机械性能使用性能过滤性能 刚度 化学稳定性截留的最小颗粒 强度 热稳定性截留效率 蠕变或拉伸抗力生物学稳定性清洁介质的流动阻力 移动的稳定性动态稳定性 纳污容量 抗摩性吸附性堵塞倾向 震动稳定性可湿性 可制造工艺性卫生和安全性 密封性 可供应尺寸 过滤介质的性能既取决于原材料的固有特性 又取决于其制造方法 过滤 介质的类型和所能截留的最小颗粒如表2 2 所示陋d l l 表2 2 过滤介质的类型和所能截留的最小颗粒 主要类型细分小类截留的最小颗粒直径pm 刚性多孔介质陶瓷和缸瓷l 塑料片状物膜0 1 纺织物滤布 1 0 5 滤饼的洗涤 平盘过滤机过滤产生的滤饼由于里多孔结构 因此在内部滞留有一部分母 液 通过对滤饼的洗涤 来获得合格的氢氧化铝 常用的洗涤方式是置换洗涤 即用洗液直接洗涤滤饼表面 随后沈液渗入滤饼孔隙内进行置换与传质 将滤饼 中残存溶质逐渐溶合带出 6 滤饼脱水 滤饼脱水又称滤饼干燥 与滤饼洗涤属于净化作业 平盘过滤机操作中 中南大学工程硕士学位论文第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 通过对滤饼旖加去饱和力 使滤饼孔隙内捕捉的滤液被置换 平盘过滤机的饱和 力通过采用真空抽吸方式使空气穿过滤饼 真空度保持在o 0 4 o 0 8 m p a 气体穿 过滤饼层将空隙内残留的液体带走 有效地置换滤饼中的液体 在应用真空的同 时 通过对滤饼进行饱和蒸汽加热 实现了机械脱水与热蒸汽干燥脱水相结合 氢氧化铝滤饼水分通常保持在7 1 0 左右 蒸汽脱水的机理根据r u t h 滤饼过滤脱水的基本方程 竺 竺 2 1 4 一 z j 西a z c a a r 式中 一液体通过滤层的平均线速度 矿一时间t 内累积的滤液体积 m 3 s t r 一过滤时间 s a 过滤面积 m 2 4 p 过滤层的压力降 p a 一液体的粘 度 p a s t 口 广一滤饼的质量比阻 m k g 一单位面积介质上沉积的滤饼质 量 k g m 2 t足r 过滤介质阻力 l m 从 2 1 4 可以知道 增大脱水压差 降低水的粘度和表面张力 都可以 降低滤饼的水分 2 1 3 温度对氢氧化铝过滤过程的影响 蒸汽加压过滤采用的加压介质是饱和的或过热蒸汽 3 2 滤饼内残余液体的排 出是在蒸汽的辅助作用下 通过一个由于过热蒸汽的作用而形成 冷凝液锋面 3 3 1 的作用实现的 它不但改善了机械脱水的性能 而且还借助蒸汽的干焙作用 使 滤饼的内在水分达到较低的水平 蒸汽脱水机理 1 置换和压榨作用 受的压差大于滤饼孔隙的毛细压力时 蒸汽便进入滤饼的孔隙中 并置换出 滤饼孔隙中的自由水 蒸汽进入滤饼的条件是它所形成的推动力必须超过某一最 小值 此值称为穿透压差 其关系式为 办 4 6 i 1 t 一 a 2 1 5 式中 p r 穿透压差 p a t o 一滤液表面张力 n m d 颗粒直径 i n 8 一滤饼孔隙度 2 热力学作用 蒸汽与滤饼颗粒之间的传质 传热的热力学作用 滤饼中的水分被冷凝面 强烈加热 致使滤液温度升高而使水的粘度和表面张力减少 通过蒸汽加热 水 1 7 中南大学工程硕士学位论文第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 的粘度从1 5 1 2 时的1 1 4 m p a s 降低到8 0 c 时的0 3 5 1 m p a s 从而强化了脱水过程 3 强制对流作用 在蒸汽穿透滤饼后 用蒸汽进一步脱水 使滤饼颗粒内部水被强制对流 滤 饼内巨大的交换表面导致快而广泛的干燥脱水 4 蒸发作用 蒸汽的高温引起滤饼内部水分的蒸发 从而极大地降低滤饼的水分 蒸汽加热过滤的具体过程如下 乱过热蒸汽与常温滤饼表面接触发生冷凝 冷凝热将滤饼表层加热至露点 温度 b 在压差作用下 滤饼内的残余液体和冷凝液一同被迫向滤饼深层移动 由于滤饼内的大孔隙较小孔隙脱水速度更快 有助于蒸汽深入到滤饼低温区更易 于冷凝 致使在压差作用下而脱水的所有i l 隙均充满了冷凝液 从而形成一个清 晰均匀的 冷凝液锋面 由于该锋面后未冷凝过热蒸汽的作用而形成的压差推动 锋面平稳地朝滤布方向移动 随着时间的延长和越来越深入滤饼内部 该锋面逐 渐变薄 其前沿逐渐与残余液体层重合 c 随着 冷凝液锋面 的前移 其前方滤饼内的残余液体大部分被冷凝液置 换 通过热交换作用 其后部和滤饼温度随时间的延长而急剧上升 d 当 冷凝液锋面 到达滤布时 过热蒸汽穿透所有滤饼孔隙 此时整个滤 饼被完全加热到蒸汽温度 并离开蒸汽室 e 滤饼离开蒸汽室后 由于其本身的潜热 并在压缩空气的作下大部分残 留在滤饼表面的液体被蒸发 随压缩空气排出 实现了有效的热力干燥过程 从以上分析可知 平盘过滤机过滤效果以及滤饼的产品质量与过滤氧氧化铝 料浆的粘度 洗水温度 干燥蒸汽有很大关系 合适的洗水温度将降低料浆的枯 度与氢氧化铝晶粒表面附水的张力 降低滤饼比阻 改善滤饼的通透性 同时 平盘过滤烘干区采用蒸汽直接加热 降低附碱和滤饼水份 现用平盘过滤机洗水 是在热水槽中 蒸气直接对水加热 蒸气消耗大 噪音大 设计一种新型加热器 利用焙烧炉高温烟气对水加热 不仅提高热能的利用率 降低蒸气消耗 而且还 降低了对大气的污染 2 2 焙烧烟气余热利用的可行性分析 2 2 1 氢氧化铝的焙烧 在6 0 年代流态化煅烧炉出现以前 氧化铝工业都是采用回转窑煅烧氢氧化 铝 3 4 1 这种设备结构比较简单 维护方便 设备标准化 煅烧产品的破碎率低 1 8 中南大学工程硕士学位论文第二章焙烧炉烟气余热利用的可行性分析 图2 4 为煅烧窑的设备流程 6 7 图2 4 氢氧化铝煅烧回转炉的设备流程图 i 氢氧化铝仓 2 饲料器 3 窑体 4 冷气机 5 吹灰器 6 氧化铝仓 7 油 泵 8 一次旋风收尘器 9 二次旋风收尘器 1 0 捧风机 i i 电收尘 1 2 烟囱 为了保证氧化铝的纯度 煅烧过程应以重油或煤气为燃料 预热后的油由油